基于IEC61850過程層總線合并單元的研究

樊陳，呂曉榮，高春雷

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京210003）

隨著電力系統向大容量、超高壓和特高壓方向發展，一次、二次設備向小型化、智能化、高可靠性方向發展。電子式互感器以其體積小、重量輕、抗電磁干擾能力強、動態范圍寬不易飽和、絕緣結構簡單、易于數字信號傳輸等優點，順應了電力工程的發展要求，得到了越來越廣泛的應用[1-3]。電子式互感器通過光纖與合并單元相連，并由合并單元將采樣值上送給間隔層智能電子設備（IED），合并單元的使用能夠簡化施工現場的電纜連接，減少占地面積，具有較大的工程價值，同時也能夠促進數字化變電站的發展，并為智能電網的數字化需求提供有力保障。對合并單元的研究即是過程層與間隔層接口的研究，具有十分重要的意義，尤其是對基于過程層總線的合并單元的研究，在實現上述功能的同時還能實現不同間隔間數據的共享，使用前景十分廣闊。

1 合并單元的研究現狀

當前國內對合并單元的研究多基于IEC60044-7/8和IEC61850-9-1等標準，并定義了采樣值傳輸的通用數據集。通用數據集容納了12個通道的采樣值，類型均為16位整數。采樣頻率在9-1中也明確指明，一般為20fr，40fr，80fr，200fr等（fr為電網的額定頻率，為50 Hz）。合并單元通過串行點對點的方式向間隔層裝置發送數據，9-1中也定義了具體的報文格式，在12路采樣之后設置了2個16位的整數表示開關狀態量，具體如表1所示[4]。

由于報文格式相對固定，很多廠家的合并單元沒有按照IEC61850標準定義相應的邏輯設備、邏輯節點和數據集，僅僅按照報文的格式發送數據就行了，所以實現起來相對容易，但這并非真正意義上的合并單元。有些廠家雖然按照IEC61850標準來實現了合并單元，但是由于9-1本身是串行點對點的通信連接，不同間隔之間的數據仍然不能共享，并沒有真正體現出電子式互感器的優勢。因此，基于過程層總線通信的合并單元的研究就顯得十分有意義。當前國外廠家如ABB、AREVA、SIEMENS等廠家均推出了基于9-2標準的合并單元，并因9-2的眾多優勢而被大力推廣。國內廠家基于過程層總線通信的合并單元的研究還處于摸索階段，所見論文較少，也沒有實際的產品出來，因而針對9-2標準過程層總線的合并單元的研究顯得尤為迫切。

表1 IEC60044-8定義的通用數據集內容

2 基于過程層總線的合并單元的研究

IEC61850-9-1部分遵循了IEC60044-7/8標準對合并單元的設定：輸入通道為12路，采用專用數據集，幀格式固定，不允許改變，采用廣播或組播的方法；只支持“SendMSVMessage”服務，不支持“GetMSVCBValues/SetMSVCBValues”等控制服務，也不支持對數據對象的直接訪問等服務。因此，IEC61850-9-1的映射方法相對固定、簡單，但對ASCI模型的支持不夠完備。

由于當前采用9-1標準發送的數據是點對點通信，各個合并單元之間的數據不能共享，并不能真正體現IEC61850標準過程層總線通信的優勢，這就為過程層總線的研究提供了契機。由于9-2部分所定義的標準相當靈活，所以實現起來有一定難度。為此，IEC委員會專門出版了針對9-2的Light Edition（以下簡稱9-2LE），專門針對9-2的應用提供了指導，并對一些參數進行了固化[5，6]。

基于9-2/9-2LE過程層總線的合并單元在實現上按照IEC61850的要求，不僅建立相應的數據模型，其相關的服務實現也完全按照MMS的要求。在數據模型的建立上通過XML文件進行數據對象的描述，并形成相應配置文件，其方式和間隔層IED的配置文件類似。在相應的服務上，在9-1僅支持“SendMSV Message”服務的基礎上，增加了“GetMSVCBValues/SetMSVCBValues”等控制服務功能，可重新設定輸入通道數、采樣頻率等參數，支持對數據集的更改和對數據對象的直接訪問。在數據發送上可以按照需求隨意配置相應的數據集，因而幀格式可靈活定義，對ASCI模型的支持也更加完備，并支持單播方式。因此，IEC61850-9-2的映射方法更為靈活，對ASCI模型的支持也更加完備。最為重要的是基于過程層總線的合并單元能夠實現過程層數據的共享，擺脫間隔的約束。

3 基于過程層總線合并單元方案的設計

3.1 合并單元的數據模型結構

基于過程層總線的合并單元，其模型的設計方法和間隔層保護測控IED（支持IEC61850標準）一樣，數據模型的獲取是通過配置文件來獲得，相應配置文件的例子可以參考9-2LE。在此，將合并單元的抽象數據結構列出，如圖1所示。

圖1 合并單元數據模型結構

由圖1看出，合并單元內部的邏輯節點主要由LPHD、LLN0、電流互感器（TCTR）、電壓互感器（TVTR）組成[7-10]，為了清晰展示，圖1的TCTR、TVTR均帶有具體實例名，即節點后的編號，而數據集則定義了這8個互感器的采樣值，當然，上述模型的建立主要還是依照9-2LE來建立，因而顯得相對要簡單一些。若采用9-2的要求，邏輯節點和數據集可以任意定義，因而其靈活性也較大，在工程應用中不同廠家之間的區別也就越大，不利于一致性和互操作的要求，因而9-2LE提供了一個參考，便于工程運用。

根據9-2LE的要求，在數據集里增加了品質（Quality）這一參數。品質這一參數和標準7-3中的品質一樣，但擴展了Derived之一項，如圖2所示。

圖2 品質Q的參數

Derived為布爾型變量，當其為True時，表示該項所采集的值不是來自于互感器，而是屬于計算出來的量；當其為False時，表明該項采集量來自于互感器。國內目前支持IEC61850標準的產品大都不關注此參數。以典型的表示開關量的GGIO節點來說，廠家實現的時候只關注GGIO.ST.stVal和GGIO.ST.t，并不關心GGIO.st.q。以國內廠家的使用習慣來看，Q項不關注反而方便使用，因為9-2LE所指導的數據集定義中，每一項電流和電壓都有相應的Q與之對應，而且都是32位，和實際的采樣值的字節數相同，如果忽略Q，同樣的報文長度下可以多上送1倍的采樣量，這對現場運用極為有利。因為以100 M的帶寬來算，包含一個ASDU的報文長度大約為124個字節（因數據集名稱等不同，長度不可能完全相同），以每個周波采樣80點為標準可以計算出同時能接入的合并單元的個數約為26（100×1024×1024/124×50×80×8=26）個，這一數量遠遠不能滿足工程運用的要求，因此，省略品質因數的上送從一定程度上能夠極大的提高報文的傳送效率，提高合并單元的利用率。當然，為了遵循9-2LE的規范，當前仍然保留Q，今后過程層的帶寬提高到1000M以后，上述問題也就得到解決。

3.2 合并單元通信服務功能

基于9-2的過程層總線的合并單元在通信實現上支持單播和多播采樣值服務。同時還支持“GetMSVCBValues/SetMSVCBValues”服務。單播和多播的實現在方法和原理上完全一樣，考慮到今后實際運用中數據共享的需要，在此針對多播方式進行闡述。多播方式的實現是通過多播采樣控制模塊來實現，該模塊和報告控制模塊類似，映射到MMS類型時均有其自身的結構，具體如表2所示。

表2 多播采樣值控制模塊結構

表2中的元素名稱和報告控制模塊一樣，在此僅對OptFlds（可選域）所屬名稱進行闡述，refresh-time、sample-synchronised、sample-rate均是布爾型，當為True時，表示多播采樣控制模塊中包含其在內，若為Flase，則不包含，而這一區別將會在發送的9-2報文中得以體現。

GetMSVCBValues/SetMSVCBValues則分別對應于MMS的讀寫服務，所讀/寫的值就是表2中所列的各項元素，當然，寫服務要符合MMS的寫要求，否則合并單元會報寫值出錯并告之出錯原因，例如:t類型不匹配（type-inconsisten）等。

基于過程層總線的合并單元，其特定映射服務（SCSM）映射到ISO/IEC8802-3，因而其幀結構有明確的定義，其APDU部分的內容將是表1中的各個元素（控制模塊名稱和索引除外）經過ASN.1編碼后的數值，由于數據集的定義是可以隨意更改的，因而其報文的長度靈活多變。

3.3 合并單元內部結構設計

既然合并單元的實現是通過邏輯設備來實現，按照IEC61850標準，1個物理設備（MU）是可以有多個邏輯設備的，合并單元內部設立幾個邏輯設備是值得討論的一個問題。若僅按圖3所示，1個合并單元僅包含1個邏輯設備，即僅采樣4路電壓和4路電流，這種方式在任何情況下都能很好的滿足要求，但它卻會增加合并單元和交換機的使用數量。若1個合并單元內部設計多個邏輯設備，這樣一來合并單元能夠采樣的通道數更多了，在一定程度上可以減少合并單元和交換機的使用數量，但是單個合并單元的成本卻增加了，同時采樣通道的增加還會將低其穩定和可靠性。文獻[11，12]對此進行了深入研究，針對典型的3/2接線，從設備數量，同步功能、獨立程度、母線電壓接入等多個方面進行了綜合比對，提出圖4方式設計MU是綜合性能最好的方式，不僅能夠節省成本，而且減少了對跨間隔的依賴，有利于保護方案的選擇和制定。

圖3由于1個合并單元僅能接入1組采樣值（4個電壓互感器，4個電流互感器），所以占用的合并單元數很多，而且測量母線電壓的時候還需要額外占用1個合并單元，顯得十分浪費。

圖4和圖5總體上看是差不多的，1個合并單元不僅可接入1組（4個電壓互感器，4個電流互感器），同時還可接入母線電壓，圖5接入的采樣值更多，如此方式明顯地減少了合并單元的使用數量，但由于接入了跨間隔數據，這樣就增加了合并單元對其他間隔的依賴，降低了其獨立性和可靠性?？傮w來看，圖4和圖5的差別不僅僅是合并單元內部的問題，而且也關系到合并單元外部組網問題，為此，1個合并單元內部能夠接入多少電壓/電流互感器（或者說設立多少個邏輯設備）最好依據變電站間隔的實際情況，且母線電壓亦可方便地接入同一個合并單元為準則，這樣設置2～3個邏輯設備較為合適。

圖3 單路采樣合并單元

圖4 兩路采樣合并單元

圖5 多路采樣合并單元

3.4 采樣頻率的選擇

當前國內廠家的傳統保護裝置采樣點基本上為一個周波24點或者32點或者64點，針對這些采樣點所采用的成熟算法能較好地滿足工程需求。針對電子式互感器的采樣，9-2LE中提出保護的采樣頻率為每周波80點，而測量的采樣頻率為每周波256點。和傳統24點或者32點的采樣頻率相比，80點的采樣率在很大程度上滿足保護的要求，而測量采用256點的頻率亦能極大提高測量精度，使采樣波形與真實更加接近。針對不同的采樣頻率，合并單元內部在建立多播采樣控制模塊的時候就需要建立2個，但其數據集卻可以完全一樣。

國內廠家基于9-1實現的合并單元的采樣頻率不盡相同，有的廠家針對保護和測量采樣都采用200點，如此高的采樣頻率固然能夠更為準確接近真實波形，但對合并單元的性能要求也越高，占用網絡的帶寬也更多。因此，針對保護和測量不同需求而采用不同的采樣頻率較為經濟和合理。當然，采用不同采樣頻率，發送的報文也各有差異，9-2LE中，針對保護采樣，每幀報文發送一個ASDU，即每個采樣點的數據都作為一幀報文發送，而對于測量采樣，一次發送8個ASDU，即每8個采樣點合成一幀發送。此方式能夠有效提高帶寬的利用率，因而在基于過程層總線合并單元設計中采用9-2LE所提出的采樣方案。

3.5 傳統AC量的接入

基于9-2標準實現過程層總線的合并單元也應考慮當前工程運行的現狀。目前，電子式互感器并沒有全面地得以運用，很多老站和新站仍然采用傳統電磁式互感器，今后這些站若要進行數字化改造，勢必會存在傳統式電磁互感器和新的電子式或者光電互感器同時存在并投入使用的情況。為此，基于過程層總線的合并單元在設計上必須考慮與傳統方式的兼容，在新的合并單元內增加傳統的交流量采集模塊。

新增設的交流量采集模塊可以方便地套用傳統的方式來實現，但是這里存在一個新的問題，就是交流量采樣頻率和通過光纖通信上送數據的方式有所出入，如何保證兩者數據的同步和一致，這就需要合并單元內部進行重新采樣，將數據進行同步匯總，然后在合并單元內部將數據傳送給相應邏輯節點的數據屬性，具體如圖6所示。

圖6 重新采樣結構

3.6 同步問題

時間同步問題是實現合并單元的關鍵要素，同一個合并單元由于要采集來自不同互感器傳送的采樣值，這些數據必須對其進行同步才能保證其有效性和實時性，若同一合并單元的各個互感器間電壓不同步，那么該數值經過計算后三相電壓、電流彼此之間的角度就不再是120o，這些數據可能會使保護裝置誤動作。由于基于過程層總線的合并單元的數據能夠全站共享，所以不同合并單元之間的同步也必須加以考慮，否則一些跨間隔保護裝置就不能真正有效利用過程層總線上不同合并單元上送的共享實時數據，因此同步問題的重要性在基于過程層總線通信上顯得尤為突出。

文獻[13-15]提出了采用IEC1588標準來實現同步，這也是9-2標準所提出的要求，是今后發展的必然方向，由于其技術門檻較高，再加上工程運用的難度，所以目前實現同步都是采用GPS來實現，如通過IRIG-B來對時等。

3.7 開關狀態量

在基于9-1標準實現的合并單元中存在開關狀態量，但是基于9-2過程層總線標準卻沒有預留開關量，是否仍然沿用9-1的方式將開關量接入合并單元中，這是合并單元實現時需要考慮的問題?；谶^程層總線的實現之所以有難度，其中一點就是智能開關的使用。

目前國外大廠家中實現過程層總線通信方案時只有兩類裝置接入，一種是用來采集光電/電子式互感器交流量的合并單元，另外就是上送開關量并能通過GOOSE實現跳閘的智能開關。國內目前并沒有智能開關投入使用，因為目前國內對于智能開關的研究還處于摸索階段，并沒有出現能夠工程化應用的開關產品，而這一實現有待于國內一次和二次廠家的通力合作。

針對目前這一情況，國內一些廠家推出了智能操作箱，功能類似于傳統開關的智能化接口。傳統開關是通過電纜接入操作箱的，操作箱通過通信的方式將開關狀態量進行上送。為了保證過程層總線通信的優勢，建議開關狀態量通過智能操作箱來實現，因此在合并單元的設計時不考慮開關狀態量的接入。

綜合上述各個環節，在此對合并單元各個部分進行匯總，可以得出基于過程層總線的合并單元結構，如圖7所示。

4 結束語

基于過程層總線的合并單元的研究是一項系統和長期的工作，文中主要針對過程層總線合并單元的數據結構、通信服務、對時及內部設計進行了相關探討，希望能起到拋磚引玉的作用，為裝置的開發和研制提供一定的參考。

基于過程層總線的實現將會為數字化變電站的發展起到巨大的推動作用，使得整個變電站的格局發生變化，其意義不可估量。與其相關的還有很多工作都需深入研究，如過程層總線組網方式的分析、過程層通信的研究、共享數據網絡交換的探討等，這些都是基于過程層總線的合并單元工程化所要解決的問題，也是今后進一步的研究方向。

圖7 合并單元系統結構

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